加Sr细化Mg-Sn-Ca系镁合金中CaMgSn相的方法

专利名称：加Sr细化Mg-Sn-Ca系镁合金中CaMgSn相的方法
技术领域：
本发明涉及的是一种加Sr细化Mg-Sn-Ca系镁合金中CaMgSn相的方法，属于金属 材料类及冶金领域。
背景技术：
镁合金作为最轻质的商用金属工程结构材料，因其具有比重轻、比强度比刚度高、 阻尼减振降燥能力强、液态成型性能优越和易于回收利用等优点，被誉为21世纪“绿色结 构材料”。但目前由于现有镁合金的高温抗蠕变性能差，长期工作温度不能超过120°C，使 其无法用于制造对高温蠕变性能要求高的汽车传动部件，因此极大地阻碍了镁合金的进一 步应用。也正是由于这样，国内外对于具有高温抗蠕变性能的汽车用耐热镁合金的研究 开发给予了高度重视，并先后试制研究了 Mg-Al-Si、Mg-Al-RE, Mg-Al-Ca, Mg-Al-Ca-RE, Mg-Al-Sr、Mg-Al-Sn、Mg-Zn-Al、Mg-Zn-RE、Mg-Zn-Si、Mg-Zn-Sn 和 Mg-Sn-Ca 等系列的耐热 镁合金。在这些已得到试制研究的耐热镁合金中，Mg-Sn-Ca系镁合金由于具有高温性能 较好、成本较低和抗腐蚀性能好等方面的优势，被认为是一种很有发展前途的新一代高温 抗蠕变镁合金。与其他耐热镁合金相比，Mg-Sn-Ca系镁合金的耐热强化机理主要在于通 过引入低成本合金元素Sn和Ca在晶界和晶内形成CaMgSn相来实现。由于CaMgSn相在 3000C以下相当稳定，从而使得Mg-Sn-Ca系镁合金具有较高的高温抗蠕变性能。也正是看 到Mg-Sn-Ca系镁合金所具有的优点，所以在最近几年人们对Mg-Sn-Ca系耐热镁合金的研 究和开发给予了广泛的关注和高度的重视，并对此开展了积极的研究。如Huang等通过调 查发现Mg-5Sn-2Ca和Mg_3Sn_2Ca三元镁合金在135°C和85MPa条件下的蠕变寿命可分别 达到82. 5h和358. 4h，其相应的二次蠕变速率分别为3. 5 X IO^8s"1和4. 5 X ΙΟ、—1，显示出 了很高的高温抗蠕变性能[Yuanding Huang,Norbert Hort,Tarek Abu LeilLKarl Ulrich Kainer 和 Yilin Liu, Key Engineering Materials，2007，345-346 :561_564]。尽管目前 国内外对于Mg-Sn-Ca系镁合金已开展了一定的研究，但其推广应用仍因合金的综合力学 性能较差等原因而受到一定程度的限制。正如上面所述，Mg-Sn-Ca系镁合金的耐热强化机 理主要在于通过引入低成本合金元素Sn和Ca在晶界和晶内形成CaMgSn相来实现，但由于 形成的CaMgSn相比较粗大，而粗大的CaMgSn相会成为裂纹源而导致合金的抗蠕变性能下 降。因此，细化CaMgSn相被认为是改善Mg-Sn-Ca系镁合金抗蠕变性能的关键因素之一。众 所周知，合金化和/或微合金化是细化和/或变质工程合金中第二相的有效方法之一。目 前，已有专利和文献报道，添加Ce或Y可以细化Mg-Sn-Ca系镁合金中粗大CaMgSn相从而 使合金的性能得到改善[1-杨明波，潘复生，汤爱涛.加Ce细化细化Mg-Sn-Ca系镁合金中 CaMgSn相的方法.专利号ZL200810237214. 5 ； 2-杨明波，汤爱涛，潘复生.加Y细化细 化 Mg-Sn-Ca 系镁合金中 CaMgSn 相的方法.专利号ZL200810237216. 4 ； 3-Mingbo Yang, Fusheng Pan, Liang Cheng, Jia Shen. Effects of cerium on as-cast microstructure and mechanical properties of Mg-3Sn-2Ca magnesium alloy. Materials Science and Engineering A, 2009, 512: 132 - 138； 4- Mingbo Yang, Fusheng Pan. Effects ofY addition on as-cast microstructure and mechanical properties of Mg_3Sn_2Ca (wt. %) magnesium alloy. Materials Science and Engineering A, 2009, 525: 112 -120]。然而，由于Ce和Y属于稀土元素，价格较贵，并且其加入量较高(0. 5-1.5wt%)，从而使 得添加Ce或Y细化Mg-Sn-Ca系镁合金中粗大CaMgSn相的成本较高。因此，有必要研究开 发其它用于细化Mg-Sn-Ca系镁合金中粗大CaMgSn相的低成本合金元素。

发明内容
本发明的目的在于针对现有Mg-Sn-Ca系镁合金因存在粗大CaMgSn相而影响合金 性能以及已有Ce和Y合金化细化Mg-Sn-Ca系镁合金中粗大CaMgSn相成本较高等不足，提 出采用低成本的合金化和/或微合金化的方法，包括其细化工艺，以达到细化Mg-Sn-Ca系 镁合金中粗大CaMgSn相这一目的，从而改善Mg-Sn-Ca系镁合金的性能，加快该系镁合金的 工业化应用进程。为了实现上述目的，本发明提出一种加Sr细化Mg-Sn-Ca系镁合金中粗大CaMgSn 相的方法，在Mg-Sn-Ca系镁合金中通过添加Mg_10%Sr中间合金的方法，来细化Mg-Sn-Ca 系镁合金中的粗大CaMgSn相。本发明提出的方法如下在熔剂或气体保护下，将Mg-Sn-Ca镁合金按相应的成分 配比熔化后升温到720-740°C，加入1%-10衬.％Sr中间合金；Sr加入量占炉料总重量的百分 比为0. 05-0. 15wt. %，加入方法在100-150°C将Mg-lOwt. %Sr中间合金烘烤15-30分钟，然 后用压瓢迅速压入合金液面以下约2-6分钟，搅拌后升温到720-76(TC，然后用C2Cl6精炼 剂精炼处理5-10分钟，精炼完毕后搅拌合金熔体并在740°C静置10-15分钟，静置完毕后捞 去表面浮渣，然后进行铸造。采用本方法细化CaMgSn相的机理在于Sr元素具有较Sn元素更大的原子半径 (Sr: 0. 215nm; Sn: 0. 141nm)。当添加Sr到Mg-Sn-Ca镁合金中后，其在凝固过程中会在 固-液界面富集，从而阻碍Sn原子扩散，并最终导致CaMgSn相细化。同时，Sr元素在镁中 的固溶度较小广0. 11%)，其在凝固过程中会在固-液界面前沿的液相中富集会增加凝固时 的过冷度，也会使CaMgSn相细化。此外，添加Sr还会使合金的晶粒得到细化，从而进一步 使合金性能得到改善。


图IA和图IB分别是Mg-3Sn-2Ca和Mg_3Sn_2Ca -0. 05Sr的显微组织图片； 图2A和图2B分别是Mg-4Sn-l. 5Ca和Mg-4Sn_l. 5Ca -0. IOSr的显微组织图片；
图3Α和图3Β分别是Mg-5Sn-2. 5Ca和Mg_5Sn_2. 5Ca -0. 15Sr的显微金相组织图片； 图4A和图4B分别是Mg-3Sn-lCa和Mg_3Sn_lCa -0. 08Sr的显微金相组织图片； 图5A和图5B分别是Mg-5Sn-l. 5Ca和Mg-5Sn_l. 5Ca -0. 12Sr的显微金相组织图片。
具体实施例方式以下通过具体五个实施例对本发明的技术方案和效果作进一步的阐述。实施例1 在熔剂保护下，将Mg-3Sn-2Ca镁合金按94. 95wt. %Mg, 3wt. %Sn和 2wt. %Ca的成分配比熔化后升温到740°C，加入Mg-lOwt. %Sr中间合金，Sr的加入量为炉料总重量的为0. 05wt. %。加入方法在150°C将Mg-lOwt. %Sr中间合金烘烤20分钟，然后用 压瓢迅速压入合金液面以下约3分钟，搅拌后升温到740V，然后用C2Cl6精炼剂精炼处理5 分钟，精炼完毕后搅拌合金熔体并在740°C静置10分钟，静置完毕后捞去表面浮渣，然后将 其浇铸入已预热到100-150°C的金属型中。实施例2 在熔剂保护下，将Mg-4Sn-l. 5Ca_0. 25Mn镁合金按94. 15wt. %Mg, 4wt. %Sn, 1. 5wt. %Ca和0. 25wt. %Mn的的成分配比熔化后升温到720°C，加入Mg-lOwt. %Sr 中间合金。Sr的加入量为炉料总重量的0. IOwt. %。加入方法在150°C将Mg-10%Sr中间 合金烘烤20分钟，然后用压瓢迅速压入合金液面以下约3分钟，搅拌后升温到740 V，然后 用C2Cl6精炼剂精炼处理5分钟，精炼完毕后搅拌合金熔体并在740°C静置10分钟，静置完 毕后捞去表面浮渣，然后将其浇铸入已预热到100-150°C的金属型中。实施例3 在 CO2 保护下，将 Mg-5Sn-2. 5Ca 镁合金按 92. 35wt. %Mg, 5wt. %Sn 和 2. 5wt. %Ca的成分配比熔化后升温到740°C，加入Mg_10%Sr中间合金。Sr的加入量为炉料 总重量的0. 15wt. %。加入方法在150°C将Mg-lOwt. %Sr中间合金烘烤20分钟，然后用压 瓢迅速压入合金液面以下约3分钟，搅拌后升温到740°C，然后用C2Cl6精炼剂精炼处理5分 钟，精炼完毕后搅拌合金熔体并在740°C静置10分钟，静置完毕后捞去表面浮渣，然后将其 浇铸入已预热到100-150°C的金属型中。实施例4 在 CO2 保护下，将 Mg-3Sn-lCa 镁合金按 95. 92wt. %Mg, 3wt. %Sn 和 lwt. %Ca的成分配比熔化后升温到740°C，加入Mg_10%Sr中间合金。Sr的加入量为炉料总 重量的0. 08wt. %。加入方法在150°C将Mg-lOwt. %Sr中间合金烘烤20分钟，然后用压瓢 迅速压入合金液面以下约3分钟，搅拌后升温到740°C，然后用C2Cl6精炼剂精炼处理5分 钟，精炼完毕后搅拌合金熔体并在740°C静置10分钟，静置完毕后捞去表面浮渣，然后将其 浇铸入已预热到100-150°C的金属型中。实施例5 在熔剂保护下，将Mg-5Sn-l. 5Ca镁合金按93. 38wt. %Mg, 5wt. %Sn和 1. 5wt. %Ca的成分配比熔化后升温到740°C，加入Mg_10%Sr中间合金。Sr的加入量为炉料 总重量的0. 12wt. %。加入方法在150°C将Mg-lOwt. %Sr中间合金烘烤20分钟，然后用压 瓢迅速压入合金液面以下约3分钟，搅拌后升温到740V，然后用C2Cl6精炼剂精炼处理5分 钟，精炼完毕后搅拌合金熔体并在740°C静置10分钟，静置完毕后捞去表面浮渣，然后将其 浇铸入已预热到100-150°C的金属型中。将以上五个实施例和未加Sr的Mg-Sn-Ca镁合金的成分和组织分析及性能测试结 果如表1所示。从表1中的对比分析结果可以看到，Mg-Sn-Ca系镁合金中加入一定量的 Sr后，合金组织中CaMgSn相的平均尺寸明显减小。同时，合金的抗拉性能和蠕变性能得到 提高，尤其是合金的室温和高温抗拉性能。此外，与已有专利和文献报道的最少量的Ce和 Y添加相比，成本可以大大降低。以上实施例中使用的溶剂可以采用镁合金制备通用的各种溶剂，如采用的较为普 遍的 2# 熔剂(45 wt. % MgCl2 + 37 wt. % KCl +8 wt. % NaCl + 4 wt. % CaF2 + 6 wt. % BaCl)。保护气体也可以采用镁合金制备通用的各种保护气体，如C02。
权利要求
一种加Sr细化Mg Sn Ca系镁合金中CaMgSn相的方法，所述方法是通过在Mg Sn Ca系镁合金中加入Mg Sr中间合金来实现，Sr的加入量占炉料总重量的百分比为0.05 0.15wt.%。
2.根据权利要求1所述的加Sr细化Mg-Sn-Ca系镁合金中CaMgSn相的方法，所述方法 是在熔剂或气体保护下，将Mg-Sn-Ca镁合金按相应的成分配比熔化后升温到720-740°C， 加入Mg-lOwt. %Sr中间合金；Sr加入量占炉料总重量的百分比为0. 05-0. 15wt.%，加入方 法在100-150°C将Mg-lOwt. %Sr中间合金烘烤15-30分钟，然后用压瓢迅速压入合金液面 以下约2-6分钟，搅拌后升温到720-760°C，然后用C2Cl6精炼剂精炼处理5_10分钟，精炼完 毕后搅拌合金熔体并在740°C静置10-15分钟，静置完毕后捞去表面浮渣，然后进行铸造。
3.根据权利要求1所述的加Sr细化Mg-Sn-Ca系镁合金中CaMgSn相的方法，其特征在 于所述方法是在熔剂或气体保护下，将Mg-Sn-Ca镁合金按相应的成分配比熔化后升温到 740°C，WAMg-10wt. %Sr中间合金，Sr加入量占炉料总重量的百分比为0. 05-0. 15wt. %，加 入方法在150°C将Mg-lOwt. %Sr中间合金烘烤20分钟，然后用压瓢迅速压入合金液面以 下约3分钟，搅拌后升温到740°C，然后用C2Cl6精炼剂精炼处理5-10分钟，精炼完毕后搅 拌合金熔体并在740°C静置10分钟，静置完毕后捞去表面浮渣，然后进行铸造。
全文摘要
一种加Sr细化Mg-Sn-Ca系镁合金中CaMgSn相的方法，通过在Mg-Sn-Ca系镁合金中加入Mg-Sr中间合金来实现，具体是在熔剂或气体保护下，将Mg-Sn-Ca镁合金按相应的成分配比熔化后升温到720-740℃，加入Mg-10wt.%Sr中间合金；Sr加入量占炉料总重量的0.05-0.15wt.%。本方法能用较低的成本细化Mg-Sn-Ca系镁合金中粗大CaMgSn相，改善Mg-Sn-Ca系镁合金的性能。
文档编号C22C23/00GK101985713SQ20101057936
公开日2011年3月16日 申请日期2010年12月9日 优先权日2010年12月9日
发明者张微, 朱翊, 李晖, 杨明波, 梁晓峰, 潘复生, 秦财源 申请人:重庆理工大学